Könnte ein Ornithopter-Roboter alle Energie haben, die er braucht, um aus Sonnenenergie fliegen zu können?

Ich werde versuchen, eine spezifischere Frage zu beantworten, als Ihr Titel stellt: Könnten OPV-Solarzellen plausibel genug Energie liefern, um ein Schlagflügelflugzeug auf dem Mars zu halten?

Das einzige gut untersuchte Mars-Schlagflügelkonzept, das mir bekannt ist, ist der Bericht des Ohio Aerospace Institute über einen Entompoter, nach dem Sie in einer früheren Frage gefragt hatten . Leider ist dieses Fahrzeug nicht für den reinen Solarbetrieb geeignet, da es Verbrauchsmaterialien benötigt:

Obwohl sowohl aus der CFD- als auch aus der analytischen Lösung ein positiver Nettoauftrieb erzielt wird, reicht die Kraft nicht für einen Flug in der unteren Marsatmosphäre aus. Daher wird eine aktive Strömungssteuerungstechnologie verwendet, um den Auftrieb und den Schub zu erhöhen und gleichzeitig den Luftwiderstand des Entomopters zu verringern ... Das richtige Anblasen des Flügels ist nicht nur für die Stabilität und Kontrolle des Entomopters von entscheidender Bedeutung, sondern auch die Mars-Anwendung, ihre Flugfähigkeit.

Einer der cleveren Teile des Entomopter-Konzepts besteht darin, Abgase aus seinem "Muskel" zu verwenden, um zusätzlichen Auftrieb zu erzielen und (durch Anblasen seiner eigenen Flügel) zu steuern. Ohne sie funktioniert das Fahrzeug nicht in der verdünnten Marsatmosphäre – das Fahrzeug muss Gas ausstoßen, um zu funktionieren. Und mit Sonnenenergie allein kann man das Gas nicht nachfüllen.

(Ich nehme an, man könnte sich einen solarbetriebenen Kondensator vorstellen, der leicht genug ist, um auf das Fahrzeug zu passen. Ich bin skeptisch, ob dies möglich ist, aber ich lade jemanden ein, eine Folgefrage zu stellen, um es herauszufinden!)

Diese Studie legt also nahe, dass die Antwort auf die Frage nein lautet: Jede Solarzelle wird nicht genug Energie für ein Schlagflügelflugzeug auf dem Mars liefern, weil Schlagflügelfahrzeuge ohne irgendeine Art von überhaupt nicht auf dem Mars fliegen können verbrauchbares Treibmittel.

Diese Antwort ist nicht sehr befriedigend. Lassen Sie uns mit ein paar Zahlen spielen und sehen, ob wir noch etwas herausfinden können.

In Ihrer ersten Quelle , Kaltenbrunner et. Al. stellen ihre Ergebnisse aus dem Testen einer Vielzahl von Konfigurationen organischer Photovoltaik (OPV)-Solarzellen vor, bei denen es sich um extrem dünne Geräte handelt, die untersucht werden, weil sie flexibel und leicht gemacht werden können.

Aus dem Diskussionsbereich des Artikels:

Die hier vorgestellten auf PET aufgebauten OPV-Vorrichtungen haben eine Flächenmasse von$4 gm^-2$, und 4% Effizienz, geben$10 Wg^-1$.

Soweit ich das beurteilen kann, stellt diese Figur den erfolgreichsten Prototypen der Autoren dar. Es ist plausibel, dass die Effizienz tatsächlich verbessert werden könnte, aber wir beginnen mit diesen Zahlen.

Die Figur von$10W/g$(grob) scheint berechnet worden zu sein als:

wo$1050W/m^2$ist eine gebräuchliche Zahl für die Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche. Für unsere Zwecke müssen wir stattdessen die Sonneneinstrahlung auf der Marsoberfläche verwenden. Dieser Bericht über Mars-Entomopter legt nahe, dass dies ungefähr der Fall ist$590W/m^2$im Durchschnitt.

Unsere Quick-n-Dirty-Berechnungen legen dann nahe, dass (unter Vernachlässigung aller Auswirkungen auf die Materialien des OPV durch Marsoberflächenbedingungen) die Panels in der Studie uns liefern würden$5.9W/g$zum Spielen auf dem Mars.

Reicht das zum Fliegen?

Der primäre Designpunkt der OAI-Studie auf Seite 49 erfordert$883W$zu fliegen und zu haben scheint$0.107m^2$Flügelfläche pro Flügelsatz (von denen es 2 hat). Das Beschichten der Flügel in OPV-Platten kostet nur$0.856g$- kein Wunder, dass Nature Communications davon begeistert war! Wenn wir das tun, kaufen wir uns:

Denken Sie daran, dass Sie dies nur bei Tageslicht erhalten. Wenn Sie die Energie berücksichtigen, die erforderlich ist, um die Elektronik und Instrumente vor dem Einfrieren zu bewahren (und die Tatsache, dass Sie Energie speichern müssen, damit sie auch nicht über Nacht einfrieren), ist dies wirklich nicht viel, womit Sie arbeiten können. Vielleicht könnten Sie nach dem Aufladen der Akkus ab und zu mal einen Kurzflug machen, wenn wir das Thema Benzin ganz vernachlässigen.

Leider deutet diese (zugegebenermaßen fehlende) Analyse auch darauf hin, dass die Antwort nein lautet, Solarzellen können ein Schlagflügelfahrzeug in der Marsatmosphäre nicht plausibel antreiben.

Erwägen Sie, wegen der stark vergrößerten Oberfläche ein großes Flächenflugzeug auszuprobieren.

Ich glaube, ich habe meine Antwort (zumindest teilweise) gefunden, als ich eine Studie über Solid-State Aircraft (SSA) fand , einen nicht traditionellen Ornithopter, der einen Schlagflügelmechanismus verwendet und wie ein Vogel fliegt. Die Studie von SSA legt nahe, dass Solaranlagen (die aus organischen Photovoltaik-Solarzellen bestehen ), die in die Flügel der SSA implantiert werden, eine Lithiumbatterie ( in diesem Fall Dünnschicht-Lithiumbatterien ) benötigen, um die Energie zu erhalten und kontinuierlich zu liefern, aber die Sonne Strom ist die einzige Stromquelle, die die SSA verwendet. In der Studie gab es getrennte Abschnitte für Marszwecke und basierend auf der Studie sollte die SSA auch dorthin fliegen können.

Das beweist, dass zumindest diese Art von Ornithopter seine Energie zum Fliegen tatsächlich aus Sonnenenergie beziehen kann, aber soweit ich verstanden habe, zieht er keine Nutzlast mit sich.